基于ZigBee的礦井人員體征監測系統設計

肖燕

（寶雞文理學院　計算機學院，陜西　寶雞 721016）

計算機技術與應用

基于ZigBee的礦井人員體征監測系統設計

肖燕

（寶雞文理學院計算機學院，陜西寶雞 721016）

針對礦井人員的生命安全和礦井環境存在隱患無法及時排查的問題，本文設計了一個基于ZigBee技術的礦井人員體征監測系統。系統利用傳感器分別獲取到人體溫度、脈搏信息和氣體環境信息，利用ZigBee網絡進行信息無線傳輸，并對信息數據進行處理，從而實現了對礦井人員生命體征和礦井環境實時監測的功能。測試結果證明，系統實現對井下人員的定位和實時監控功能，為井下救援提供可靠依據，具有良好的應用價值。

ZigBee；礦井安全；生命體征；CC2530

煤礦是關系到國民經濟發展的重要資源，開采主要靠礦工進行井下作業。由于地質環境復雜，塌陷、瓦斯爆炸等礦井安全事故時有發生，直接威脅到礦工的生命安全。雖然目前已有多種措施和法律條文來保障施工安全，但是礦難仍不可避免，緊急救援措施尤為重要。事故發生后，目前的安全系統無法確切的掌握被困礦工的位置、人數以及生命體征狀況，給救援工作的開展帶來困難。針對以上情況，文中設計了一款基于ZigBee技術的礦井救援輔助系統，能對被困人員迅速定位，并掌握其生命體征，為救援方案的制定提供依據，最大限度的減少傷亡數量。

1　ZigBee技術

ZigBee技術是一種便宜、低功耗、高可靠性的近距離無線組網技術，是一個由可多到65000個無線數傳模塊組成的無線數傳網絡平臺。在整個網絡范圍內，每個ZigBee網絡節點不僅自身可以作為監控對象，還可以自動中轉別的網絡節點傳過來的數據資料［1］，并承擔著和多個非中轉孤立子節點進行無線連接的任務。由于礦井結構復雜，有線通信方式無法完成對整個礦井的全面覆蓋，特別是在發生事故后，井下有線信號極易被屏蔽而延誤救援時機。因此，選用可自組網的ZigBee無線傳感器網絡完成對井下人員的跟蹤與定位，為事故救援提供技術支持。另外，由于礦井下人員是在連續作業之中，其健康狀況不容忽視。因此，系統對其生命體征進行連續監測十分必要。ZigBee技術可以通過傳感器獲取到有用的體征信息，對有異樣的信息發出警報，從而為礦工的生命安全提供保障。

2　系統總體設計

本系統采用的ZigBee無線傳感器網絡有3種設備成員，分別為協調器節點、路由器節點和終端節點。協調器節點是整個網絡的核心，負責網絡的建立、管理和維護。路由器負責路由發現、消息傳輸、并允許其他節點通過它接入網絡，并且路由器節點兼具終端節點的功能。終端節點通過協調器節點或路由節點加入網絡，負責采集數據。

本系統的總體結構如圖1所示。首先，由協調器發起組建ZigBee無線傳感器網絡。然后由終端節點采集人體體征信息和氣體信息，并將數據發送路由器節點。路由器節點自身采集礦井內的氣體信息，同時轉發人體體征信息功能。最后由協調器節點收集信息，通過地面監控中心軟件完成對不同信息的分析與處理。

圖1　系統總體結構圖

3　系統硬件設計

在本系統中，ZigBee網絡的終端節點、路由器節點和協調器節點均使用了包含一個“增強型”工業標準的8位8051微控制器內核，并集成了 2.4 GHz的 RF無線收發器的CC2530作為核心處理器。與終端節點的硬件結構上相比較，路由器節點只是選取了終端節點的氣體傳感器模塊，其他模塊無變化。因此相對簡單的路由器節點硬件設計不再作討論。

3.1終端節點的硬件設計

終端節點可以采集到人體體征信號和周邊氣體環境信號。人體主要有體溫、脈搏、血壓、呼吸四大生命特征來表征人體是否健康。根據實際情況，本系統選用溫度傳感器和脈搏傳感器來獲取體溫和脈搏信號。為了隨時采集人體體征信號，終端節點由礦工隨身攜帶。終端節點的硬件結構如圖2所示。

圖2　終端節點硬件結構圖

信號采集模塊由3種不同的傳感器模塊組成。溫度傳感器模塊采用串行數字溫度傳感器DS18B20芯片，其溫度測量范圍在-55~+125℃，滿足對人體溫度的測量需求。DS1820為單線接口，將其DQ口接到CC2530的P1.7口，并加入一個阻值為5.1k的上拉電阻即完成電路設計。

脈搏傳感器模塊采用合肥華科電子技術研究所研發的HK-2000A集成化脈搏傳感器。它具有靈敏度高、抗干擾性能力強、性能穩定、使用壽命長等特征，在礦井環境中非常適用。HK-2000A接線簡單，它共有紅黑白3個端子,分別接電源,地線和CC2530的P0.7口。

氣體傳感器模塊是為了監測礦井下的CO和其他可燃氣體的濃度，采用MQ-9氣體傳感器。該傳感器的敏感層是用非常穩定的二氧化錫制成，因此具有良好的穩定性。同時，它又具有很高的靈敏度，對于不同種類、不同濃度的氣體有不同的電阻值。

3.2協調器的硬件設計

協調器節負責與地面監控系統互相發送信息，因此協調器除了CC2530處理器模塊、晶振電路、射頻電路等組成，還需接入一個串口電路。串口電路連接到CC2530需要進行電平的轉換，本設計中使用只有一路輸入輸出的MAX232芯片完成此功能。串口連接電路如圖3所示。

圖3　串口原理圖

4　系統軟件設計

4.1節點軟件設計

終端節點為礦井人員自身佩戴，屬于移動節點。路由器節點的位置固定且已知。終端節點首先需要向路由器節點發送加入到無線傳感器網絡中的請求，待路由器節點通過請求后，終端節點即可將獲取到的信息通過ZigBee射頻天線發送。設置終端節點的定時器為每隔30 s發送一次數據信息。路由器節點根據收到的信號強弱（即RSSI值）確定終端節點的位置，并將終端節點的數據信息進行轉發。協調器定時查詢信道上的數據，如果信道上有路由器發送來的數據則接收數據，否則進入休眠狀態。軟件流程圖如圖4所示。

圖4　軟件流程圖

4.2地面監控中心軟件設計

監控中心系統通過串口接收到來自井下的各個傳感器信息，并根據信息對井下人員的生命體征和生存環境進行判斷，及時發現潛在危險。該系統采用面向對象語言Visual C++編寫，并使用sql server 2008建立數據庫。系統人機交互界面模塊構成如圖5所示。

數據查詢：分別查詢井下人員的位置信息、生命體征信息以及井下氣體環境信息。并通過輸入查詢條件進行選擇性查找。

數據顯示模塊：顯示井下人員的當前位置。

圖5　人機交互界面模塊構成圖

數據統計模塊：統計當前井下人員人數，并找出體溫和脈搏處于不正常的人數。

告警管理模塊：設置生命體征告警的限值并根據限值排查出需要告警的人員以供查詢。也可設置井下環境告警限值并在大于限值時發出告警。

系統維護模塊：包括用戶登錄和用戶權限分配等功能。

5　系統測試

本系統的測試是模擬礦井巷道，在彎曲的位置布置路由器節點15個，終端節點6個，協調器節點1個。路由器節點的間距為60 m，覆蓋面積大約為0.15 m2。由測試員攜帶終端節點移動，可以從監測中心軟件上獲取到相應的節點位置、體征信息和氣體環境信息，如圖6所示。

因此，本系統的設計可實現對井下人員的體征和環境信息的監測，系統已達到預期設計目標。

圖6　測試界面圖

6　結論

本文設計了一個對礦井下人員的生命體征信息和礦井下的氣體環境信息進行監測的系統，采用CC2530作為核心處理器，并組建了ZigBee無線傳感器網絡傳輸信息。最后由地面監控中心軟件進行信息的處理。整個系統具有很強的實用性，為礦井下人員提供的生命安全的有效保障。

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Design of miner psychology signmonitoringsystem based on ZigBee

XIAO Yan
（School of Computer，Baoji University of Arts and Sciences，Baoji 721016,China）

Aiming at the hidden troubles in miner safety and coal mine environments cannot solvedin time,this paper design a monitoring system of miner psychology signs based on ZigBeetechnology.The system collects humantemperature、pulse signals and gas signals,then transmit data through the ZigBee wireless sensor network and processes these data.It realizes the function of real-time monitoring inminer safety and coal mine environments.The results of tests indicate the system has achievedpersonnel location and real-time monitoring,and it provides reliable basis for the mine rescue with a good application value.

ZigBee；mine safety；psychology sign；CC2530

TN919

A

1674－6236（2016）13-0001-03

2015-12-03稿件編號：201512023

國家自然科學基金 （61379030）；陜西省自然科學基礎研究計劃項目基金 （2015JM6329）；寶雞文理學院院級項目（ZK15092）

肖 燕（1982—），女，湖北咸寧人，碩士，助教。研究方向：物聯網技術應用。